Джефферсон - Сборник упражнений и задач - 2000 / Student Guide27

232	Глава 27: Красная кровяная клетка и функции гемоглобина

Глава 27

Красная кровяная клетка и функции гемоглобина

Резюме главы

Âэтой главе описывается структура молекулы гема, значение белка гемоглобина роль

эритроцитов в транспорте кислорода и СО2. Рассматриваются ферменты, участвующие в биосинтезе гема и роль Fe в регуляции этого процесса. Обсуждаются особенности связывания кислорода с гемоглобином и миоглобином. Объясняется природа напряженного и расслабленного состояний, а также роль 2,3-дифосфоглицерата (ДФГ).

Âобщих чертах описываются химические реакции, связанные с эффектом Бора и

хлоридным сдвигом, их связь с транспортом СО2 и буферной емкостью крови. Глава заканчивается описанием биохимической основы серповидноклеточной анемии.

Цели урока

♦Значение гемоглобина и эритроцитов в доставке кислорода из легких в ткани.

♦Химическое строение молекулы гема

♦Синтез гема.

♦Связи, удерживающие Fe2+ в составе гема.

♦Механизм IRE-зависимого влияния Fe на синтез гема.

♦Роль трансферрина и его рецептора в механизме регуляции транспорта Fe.

♦Механизм влияния Fe на синтез белка трансферринового рецептора.

♦Форма запасания железа в эритроцитах.

♦Средняя продолжительность жизни эритроцитов и в чем различия между старыми и молодыми клетками.

♦Происхождение билирубина и его конечная судьба.

♦Регуляторный механизм, связанный с образованием глобиновой части гемоглобина и роль eIF2.

♦Зависимость между окисленным состоянием Fe и его способностью связывать кислород.

♦Роль миоглобина как запасающего кислород белка.

♦Сходство и различия между гемоглобином и миоглобином, особенно по их способности связывать кислород.

233	Глава 27: Красная кровяная клетка и функции гемоглобина
♦ Различие между сигмоидной и		♦ Влияние ДФГ на сродство гемоглобина
	гиперболической кривыми насыщения		к кислороду и физиологическое
	и возможное объяснение		значение этого эффекта.
	существования последней.	♦	Химическая реакция, обусловленная
♦	Физиологическое значение изменения		эффектом Бора, и ее связь с
	сродства гемоглобина к кислороду как		транспортом СО2 эритроцитами.
	функция концентрации О2.	♦ Хлоридный сдвиг, и его связь с
♦	Природа напряженного и		транспортом СО2.
	расслабленного конформационных	♦ Значение иона бикарбоната в
	состояний субъединиц гемоглобина и		поддержании рН крови.
	их относительное сродство к О2 ;	♦	Биохимическая основа
	влияние связывания О2 íà		серповидноклеточная анемия и
	относительную стабильность		связывание О2 эритроцитами при этом
	субъединиц.		заболевании.

Прогулка по главе

Эритроциты

Гемоглобин имеет важное значение в процессе доставки……………..(1) из легких к тканям организма. Около 160 млн …………….(2) образуется каждую ………………(3) и циркулирует около ………….(4) дней. Характерная форма клетки с большой площадью поверхности облегчает

……………..(5) обмен. Эритроциты образуются из гемопоэтических стволовых клеток; этот процесс, стимулирует …………….…(6), концентрация которого находится в………………….(7) зависимости от парциального давления кислорода в тканях. Незрелые эритроциты называются

……………(8). В процессе созревания они претерпевают значительные изменения.

Ответы: (1) кислорода; (2) эритроцитов; (3) минуту; (4) 100; (5) газо-; (6) эритропоэтином; (7) обратно пропорциональной; (8) ретикулоцитами.

Синтез гема

Гем представляет собой относительно небольшую органическую молекулу, которая служит в качестве участка присоединения …………..(1). Протопорфириновая структура образована четырьмя ……………….(2) кольцами, которые содержат ………………(3), расположенные за пределами кольца. Пиррольные кольца соединены вместе метиновыми мостиками. Двойные связи протопорфирина ………………..(4). Железо образует связи с четырьмя атомами……………….(5) пиррольных колец. Железо гема находится в …………..(6) состоянии и называется ферроформой, а Fe3+ - ферриформой. Гем синтезируется из ……………..(7) и ………………(8) СоА, которые образуют 5-аминолевулинат при участии фермента ………………..(9) синтазы (ALA-синтаза). В

234 Глава 27: Красная кровяная клетка и функции гемоглобина

реакциях, ведущих к синтезу гема, две молекулы аминолевулиновой кислоты подвергаются дегидратации с образованием ………………….(10) (порфобилиногена) при участии фермента

…………….(11). Четыре молекулы ПБГ связываются, боковые группы модифицируются и атом Fe2+ встраивается и хелатируется. Первый и последний этапы проходят в ……………..(12). Этапом, лимитирующим скорость синтеза гема, является активность ALA ……………….(13), а уровень Fe оказывает влияние на экспрессию этого фермента посредством …………….….………….(14)

элемента (IRE), расположенного на 5′-нетранслируемом конце мРНК. При низкой концентрации железа с этим элементом (IRE) взаимодействует IRE-связывающий ……………(15) и трансляции белка не происходит. В условиях …………….(16) концентрации железа IRE-связывающий белок

……………….(17) с ………………..(18) на мРНК и ……………..(19) белка ALA-синтазы начинается.

Ответы: (1) железа; (2) пиррольными; (3) заместители; (4) конъюгированы; (5) азота; (6) Fe2+; (7) глицина; (8) сукцинил-; (9) аминолевулинат; (10) ПБГ; (11) ALA-дегидратазы; (12) митохондриях; (13) синтазы; (14) железо-чувствительного; (15) белок; (16) высокой; (17) не связывается ; (18) IRE; (19) трансляция.

Транспорт и использование железа

Трансферрин - белок плазмы крови, который переносит ……………….(1) и поглощается клетками в ходе рецептор-опосредованного …………………..(2). …………..(3) внутриклеточного железа регулируется содержанием ……………….(4) трансферрина, присутствующего на наружной поверхности клетки. ………………(5) белка рецептора контролируется уровнем …………..(6) в клетке путем регуляции ……………….(7) ……………..(8) рецептора. Эта стабильность обеспечивается …………..(9) белком, который связывает мРНК в ……………..(10) железа и защищает ее от ……………(11). Как только уровень железа ………….(12), IRE-связывающий белок больше не защищает мРНК, которая подвергается ……….……………(13), так что меньше молекул рецептора могут осуществлять поглощения комплекса железо-трансферрин. Этот процесс известен как регуляция………………………(14). Железо запасается в эритроцитах в виде комплекса

……………(15) и неорганического железа. Уровень белка апоферритина регулируется концентрацией железа, так что железо вызывает …………………(16) IRE-связывающего белка от мРНК, ………………..(17) синтез белка. Спустя примерно 110 дней эритроциты стареют и готовы к деструкции. Старые клетки отличаются от молодых по …………….(18) ……………..(19) мембраны. Эритроциты разрушаются главным образом …………………..(20) клетками и железо подвергается ………………(21), а тетрапиррольное кольцо раскрывается под действием фермента гем…………….(22). Органическая часть гема (без Fe) превращается в …………….(23), который транспортируется сывороточным альбумином в печень, где превращается в более полярное

………………(24) производное и экскретируется в виде окрашенного в желтый цвет компонента мочи.

Глава 27: Красная кровяная клетка и функции гемоглобина	235

Ответы: (1) железо; (2) эндоцитоза; (3) Уровень; (4) рецептора; (5) Синтез; (6) железа; (7) стабильности; (8) мРНК; (9) IRE-связывающим; (10) отсутствии; (11) деградации; (12) возрастает; (13) деградации; (14) по принципу обратной связи; (15) апоферритина; (16) отделение; (17) позволяя осуществлять; (18) составу; (19) гликопротеинов; (20) ретикулоэндотелиальными; (21) кругообороту; (22) оксигеназы; (23) билирубин; (24) глюкуронидное.

Миоглобин

Белковой частью гемоглобина является ……………….(1), который синтезируется только тогда, когда есть ……………….(2). Механизм регуляции включает протеин ……………(3), которая

…………….(4) гема фосфорилирует ………………….(5) - белковый фактор, необходимый для

…………………..(6) трансляции мРНК у эукариот. Фосфорилированный eIF2 не способен выполнять свою роль в инициации синтеза белка. Ионы двух-, (Fe2+), но не трехвалентного железа (Fe3+ ), могут связываться с …………..….(7). Fe3+ форма гема называется ……………..(8). Железо гема в щели молекулы белка гемоглобина …..……..(9) в ферро-форме (Fe2+). Атом железа в гемоглобине связан с …………..(10) атомами азота .......……………….(11); одна из двух координационных связей соединена с остатком………………..(12), а другая доступна для связывания с кислородом. Миоглобин - это ………….(13) белок, участвующий в ………………(14)

кислорода. Миоглобин сходен с гемоглобином, но в отличие от последнего, состоит из одной полипептидной цепи, связанной с …………….(15). Кривая ……………….(16) процентного насыщения миоглобина кислородом фактическим является функцией напряжения кислорода

……………….(17), поэтому значение рО2 можно считать критерием концентрации кислорода. На этой же кривой (см. рис. 27.11 основного учебника) показана реакция гемоглобина. Обратите внимание, что при ……………..(18) значениях рО2 процент насыщения миоглобина

…………….(19), чем гемоглобина. Это означает, что миоглобин имеет ……………..(20) сродство к кислороду, чем гемоглобин при одной и той же концентрации О2 и поэтому должен легко связывать ……………..(21) из ……………(22) и транспортировать его в ……………(23) клетки.

Ответы: (1) глобин; (2) гем; (3) киназу; (4) в отсутствии; (5) eIF2; (6) инициации; (7) кислородом;

(8) гематином; (9) стабильно; (10) четырьмя; (11) пиррольных колец; (12) гистидина; (13) мышечный; (14) запасании; (15) гемом; (16) относительного; (17) рО2; (18) низких; (19) выше; (20) более высокое; (21) О2; (22) гемоглобина; (23) мышечные.

Связывание кислорода с гемоглобином

Гемоглобин состоит из……………….(1) субъединиц (две α è äâå β субъединицы), каждая из которых соответствует мономеру …………….(2), и каждая содержит гем, способный связывать кислород. Молекула гемоглобина может связать четыре молекулы ………………………(3). Кривая связывания гемоглобином кислорода имеет ……………(4) форму и сдвинута ……………..(5), в область более высоких значений рО2, по сравнению с аналогичной кривой для миоглобина.

236	Глава 27: Красная кровяная клетка и функции гемоглобина

Сродство гемоглобина к кислороду …………..(6), чем миоглобина. Это означает, что концентрации кислорода, необходимые для ………….(7) насыщения гемоглобина выше тех, которые требуются для ……………..(8) миоглобина до того же уровня. Для гемоглобина характерна кривая насыщения, позволяющая ему наиболее эффективно отдавать ……….………..(9) при том давлении этого газа, которое имеет место в ………………(10). Значения рО2 в …………(11) очень высоки, поэтому как только гемоглобин возвращается в легкие, то он пополняет запасы кислорода.

……………….…….(12) кривая насыщения кислородом достигается вследствие того, что гемоглобин является ………………………..(13) белком, претерпевающим …………………(14)

изменения при связывании О2. Такие изменения структуры приводят к увеличению……………….(15) других субъединиц к дополнительным молекулам О2. Это явление известно как гомотропный положительный ………………….(16) эффект. Кооперативный эффект связывания в гемоглобине может быть объяснен в рамках ……………………(17) модели, хотя четкого различия между согласованной и ……………………(18) моделями в данном случае сделать нельзя. Существует два конформационных состояния гемоглобина: ………………….(19), Т состояние, с ……………..(20) сродством к О2 и ……………….(21), R состояние, с

………………..(22) сродством к кислороду. При низких концентрациях О2 преобладает

……………..(23) состояние гемоглобина, но по мере увеличения связывания молекул О2 возрастает вероятность его перехода в …………..(24) форму. Это конформационое изменение обусловлено тем, что при связывании О2 с …………………..(25) атом железа все больше перемещается в

………………..(26) тетрапиррольного кольца. Полипептид присоединен непосредственно к атому железа через остаток ……………(27).

Важную роль в транспорте кислорода играет 2,3-дифосфоглицерат (ДФГ). Эта молекула способна вызывать сдвиг кривой связывания О2 ………………….(28), что соответствует более высокому значению О2, необходимому для насыщения молекулы и, следовательно, более

……………(29) сродству гемоглобина к О2. Эффект снижения сродства гемоглобина к О2 означает, что количество доставляемого в ткани О2………………….(30). Связывание отрицательно заряженного ДФГ с …………….(31) заряженными боковыми группами аминокислот, образующих полость в молекуле гемоглобина, приводит к тому, что белок остается в дезоксигенированном Т- состоянии. В оксигенированной R форме гемоглобин не взаимодействует с ДФГ. Уровень ДФГ регулируется в соответствии с концентрацией кислорода в ткани. ДФГ также играет роль в функционировании гемоглобина у развивающегося ……………(32). Субъединицы фетального гемоглобина в отличие от гемоглобина взрослого организма менее прочно взаимодействуют с ДФГ. В результате гемоглобин плода имеет более ……………..(33) сродство к О2, по сравнению с гемоглобином взрослого организма при одном и том же уровне ДФГ. Это и является движущей силой транспорта О2 из организма матери к плоду.

Ответы: (1) четырех; (2) миоглобина; (3) О2; (4) сигмоидную; (5) вправо; (6) ниже; (7) 50%-ного;

(8) насыщения; (9) кислород; (10) капиллярах; (11) легких; (12) Сигмоидная; (13)

Глава 27: Красная кровяная клетка и функции гемоглобина	237

мультисубъединичным; (14) конформационные; (15) сродства; (16) кооперативный; (17) согласованной; (18) последовательной; (19) напряженное; (20) низким; (21) расслабленное; (22) высоким; (23) Т; (24) R; (25) гемом; (26) плоскость; (27) гистидина; (28) вправо; (29) низкому; (30) возрастает; (31) положительно; (32) плода; (33) высокое.

Заполните следующее

Эффект Бора

При связывании О2 с гемоглобином происходит ……………..(1) протонов. Этот феномен, известен как эффект Бора, который можно описать следующим образом. Оксигенированная форма гемоглобина R является более сильной ……………..(2), чем дезоксигенированная, Т-форма. В эффекте Бора, участвует двуокись углерода, …………….(3), ее гидратированная форма является

……………..(4) кислотой (Н2ÑÎ3), которая легко теряет …………..(5) при физиологических значениях рН. Двуокись углерода образуется в тканях и поступает в эритроциты, где фермент карбо…………..(6) превращает ее в Н2ÑÎ3. В результате эффекта Бора …………..(7) из Н2ÑÎ3, вызывает повышение ……………..(8) О2 из молекулы гемоглобина. В эритроцитах ……………..(9) анион (НСО3- )выходит через ионные …………….(10) и в ответ ионы………………..(11) поступают в клетку. Этот процесс известен как хлоридный ………….(12). В эффекте Бора, который сопровождается высвобождением протонов и связыванием ………………(13) гемоглобином, участвуют также ……………..(14), где высвобождающиеся Н+ взаимодействуют с бикарбонатионом, ……………………(15), с образованием угольной кислоты. Последняя дегидратируется

……………(16) ангидразой с образованием СО2, который ………………(17) из легких с выдыхаемым воздухом. Обратный эффект хлоридов наблюдается в тканях. Таким образом, эритроциты осуществляют транспорт …………….(18) в одном направлении и переносят

………………..(19) в другом. Кислотно-основное равновесие между угольной кислотой (Н2ÑÎ3) и ионом бикарбоната (НСО3-) также помогает поддерживать …………..(20) значение рН крови.

238	Глава 27: Красная кровяная клетка и функции гемоглобина

Ответы: (1) высвобождение; (2) кислотой; (3) СО2; (4) угольной; (5) протон; (6) ангидраза; (7) Н+;

(8) высвобождения; (9) бикарбонатный; (10) каналы; (11) Сl-; (12) сдвиг;(13) О2; (14) легкие; (15) НСО3-; (16) карбо; (17) удаляется; (18) СО2; (19) Î2; (20) постоянное.

Заполните следующее

Серповидноклеточная анемия

Серповидноклеточная ………………..(1) является классическим биохимическим примером того, какой глубокий эффект может оказать изменение единственной аминокислоты в последовательности белка. В нормальном гемоглобине в 6-м положении …………….(2) находится

………………(3) заряженная глутаминовая кислота. Кодонами в мРНК для глутаминовой кислоты служат GAA и GAG. При серповидноклеточной анемии мутация центрального основания в любом из этих кодонов с А на U приводит к замене аминокислоты на ……………(4). ………………..(5) аминокислота валин сильно отличается от глутаминовой кислоты, и эта замена изменяет взаимодействие белковых цепей гемоглобина. Аномальный гидрофобный “липкий” участок на поверхности молекулы гемоглобина серповидной клетки, обусловленный присутствием валина,

Глава 27: Красная кровяная клетка и функции гемоглобина	239

позволяет молекулам …………………(6) гемоглобина связываться друг с другом, что приводит к образованию удлиненных ригидных палочек, искажающих нормальную ……………….(7) форму клетки до серповидной. Эта структура имеет тенденцию закупоривать ……………..(8). Интересно отметить, что эта мутация в то же время служит защитой организма от ……………(9).

Ответы: (1) анемия; (2) β-цепи; (3) отрицательно; (4) валин; (5) Неполярная; (6) дезоксигенированного; (7) округлую; (8) капилляры; (9) малярии.

Обзор вопросов в конце главы 27

∙Биосинтез гема включает участие 5-аминолевулинат (ALA)-синтазы и ALA-дегидратазы. Первый этап биосинтеза гема состоит во взаимодействии метаболита цикла лимонной кислоты сукцинил-СоА с аминокислотой глицином с образованием 5-аминолевулиновой кислоты (ALA)

âреакции, катализируемой ALA-синтазой. Во второй реакции, которую катализирует ALAдегидратазоа, две молекулы ALA конденсируются, теряя при этом две молекулы воды и образуя порфобилиноген.

∙Повышенное образование ALA, связано с острой перемежающейся порфирией.

∙мРНК, кодирующая ALA-синтазу, имеет железо-чувствительный элемент (IRE), который может взаимодействовать с IRE-связывающим белком при низкой концентрации в клетке железа. Комплекс, образованный IRE и IRE-связывающим белком, блокирует трансляцию мРНК, поэтому ALA-синтетаза не синтезируется.

∙Белок миоглобин насыщается О2 при более низких значениях рО2, чем гемоглобин, что отражает более высокое сродство миоглобина к О2. Об этом свидетельствует тот факт, что кривая связывания О2 миоглобином находится слева. Качественно формы двух кривых также различны, для миоглобина она имеет более выраженную гиперболическую форму, а для гемоглобина - S- образную сигмоидную форму.

∙Эта сигмоидная кривая связывания гемоглобином кислорода называется кооперативной и в принципе сходна с кооперативными кривыми, описанным для ферментов. Молекула гемоглобина может существовать в двух состояниях, отличающихся по сродству к кислороду. При низком уровне кислорода связывающие его участки находятся в низкоаффинном состоянии; по мере присоединения кислорода система переходит в состояние с более высоким сродством к О2.

∙Истинные конформационные изменения белка при переходе из Т-состояния (низкоаффинного)

âR-состояние (высокоаффинное) связаны с изменением геометрии структуры Fe-порфирина

при присоединении О2. Связывание О2 вызывает “втягивание” железа в плоскость порфиринового кольца, вместе с которым смещается и остаток гистидина.

240	Глава 27: Красная кровяная клетка и функции гемоглобина

∙При определенной концентрации 2,3-дифосфоглицерата (ДФГ) фетальная форма гемоглобина имеет более высокое сродство к кислороду, чем материнская. Понимание этого стало возможным, благодаря тому обстоятельству, что эффект ДФГ связан со снижением сродства гемоглобина матери и плода к кислороду. Однако такое действие ДФГ на фетальную форму гемоглобина выражено гораздо слабее, поскольку этот белок менее прочно связывается с ДФГ.

Таким образом, более высокое сродство к О2 фетального гемоглобина означает, что О2 будет переноситься к нему от материнской формы гемоглобина.

∙Эритроциты осуществляют транспорт СО2 из тканей в легкие, а также переносят О2 в противоположном направлении. Этот процесс включает феномен, известный как хлоридный

сдвиг, который отражает перенос Сl- и НСО3- через плазматическую мембрану эритроцита в противоположных направлениях. Двойное перемещение этих анионов уравновешивает

изменение электрического потенциала, создаваемого при взаимопревращении СО2 è Í2ÑÎ3 и протонном обмене, происходящем в эффекте Бора при взаимодействии между О2 и гемоглобином. Обратите внимание, что последовательность реакций транспортного пути со стороны тканей идет в одном направлении, а легких - в другом.

Дополнительные вопросы к главе 27

1.Сколько эритроцитов образуется в минуту в организме человека?

2.Какова роль эритропоэтина?

3.Каковы два исходных соединения для биосинтеза гема?

4.Сколько пиррольных колец содержит молекула гема?

5.Как запасается железо и какие компоненты образуют запасающий железо комплекс?

6.Какой эффект оказывает на синтез гема присоединение IRE-связывающего белка к IRE?

7.Каковы главные этапы превращения гема в билирубин?

8.Какое состояния субъединицы гемоглобина (T или R) имеет более высокое сродство к О2?

9.Каков эффект ДФГ на сродство гемоглобина к кислороду?

10.Какая химическая реакция связана с эффектом Бора?

11.Какая реакция катализируется ферментом карбоангидразой?

12.Какова связь между освобождением О2 гемоглобином в тканях, эффектом Бора и поглощением

ÑÎ2?

13. Какое генетическое нарушение связано с серповидноклеточной анемией?